基于碳纖維復(fù)合材料的月基極紫外相機(jī)照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 智

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

對(duì)地球周圍等離子體層結(jié)構(gòu)和輻射特性的研究是“嫦娥三號(hào)”工程任務(wù)的一個(gè)重要科學(xué)目標(biāo)，月基極紫外相機(jī)就是針對(duì)這一科學(xué)目標(biāo)而研制的光學(xué)有效載荷。極紫外相機(jī)安裝在月球著陸器的頂部，隨月球著陸器經(jīng)歷衛(wèi)星發(fā)射、地月變軌，最后著陸在月球表面北緯44°虹灣地區(qū)，對(duì)地球等離子體層的結(jié)構(gòu)和輻射特性進(jìn)行觀測(cè)研究。為了實(shí)現(xiàn)在月球表面對(duì)地球等離子體層的探測(cè)，極紫外相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)需具有小尺寸、大視場(chǎng)，并設(shè)計(jì)為正入射結(jié)構(gòu)和多層膜單反射鏡和球面光子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)形式［1］。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的尋找，極紫外相機(jī)的跟蹤機(jī)構(gòu)采用俯仰-方位模式，而照準(zhǔn)架是實(shí)現(xiàn)俯仰、方位轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵支撐部件。照準(zhǔn)架的剛度、強(qiáng)度以及熱尺寸穩(wěn)定性直接影響到整機(jī)的剛度及轉(zhuǎn)動(dòng)性能，因極紫外相機(jī)需要承受月表著陸過(guò)程的大量級(jí)振動(dòng)沖擊以及月表晝夜高達(dá)300℃的溫差，而極紫外相機(jī)沒(méi)有主動(dòng)溫控資源，僅有保溫措施，這種情況下，照準(zhǔn)架的環(huán)境適應(yīng)性對(duì)相機(jī)能否實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的捕獲起到關(guān)鍵作用。

為了滿足嫦娥三號(hào)對(duì)極紫外相機(jī)提出的質(zhì)量盡量輕的要求，照準(zhǔn)架的材料必須采用性能優(yōu)異的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是目前實(shí)現(xiàn)這一要求的最佳選擇。CFRP是20世紀(jì)60年代崛起的一種新型結(jié)構(gòu)材料［2-4］，CFRP以其比強(qiáng)度高、比模量高、密度小、高溫性能好、性能可設(shè)計(jì)，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空航天領(lǐng)域四大結(jié)構(gòu)材料。CFRP在國(guó)外航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、運(yùn)載火箭、精密支撐結(jié)構(gòu)件及光學(xué)鏡體幾個(gè)方面:如美國(guó)應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星(ATS-F)上的天線支撐桁架，日本M-5火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體，美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡的主支撐結(jié)構(gòu)，以及歐洲空間局采用高模量碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制造成功的鏡面。

我國(guó)在航天領(lǐng)域?qū)FRP的研究始于20世紀(jì)70年代，該材料在我國(guó)衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件、大型運(yùn)載火箭及空間相機(jī)上有著廣泛應(yīng)用，如:我國(guó)自行研制衛(wèi)星的主體骨架結(jié)構(gòu)、外殼結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電池板組件、天線結(jié)構(gòu)等，另外在運(yùn)載火箭的承力結(jié)構(gòu)件上，如衛(wèi)星接口支架、梁、有效載荷支架等均有應(yīng)用。在空間遙感器領(lǐng)域，CFRP主要被應(yīng)用在遮光罩、遙感器支架、光闌板等強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件中。

CFRP在有較高剛度要求，尤其是在大量級(jí)力學(xué)環(huán)境、超大溫差環(huán)境下應(yīng)用在二維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的照準(zhǔn)架上尚屬少見，因?yàn)樵卤憝h(huán)境條件對(duì)照準(zhǔn)架的剛度、熱穩(wěn)定性要求非常高，照準(zhǔn)架的剛度以及熱穩(wěn)定性決定著俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的成敗。月基極紫外相機(jī)的鏡頭安裝在俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，因此，照準(zhǔn)架剛度和熱穩(wěn)定性更關(guān)系著相機(jī)探測(cè)任務(wù)的成敗，CFRP在月基極紫外相機(jī)照準(zhǔn)架上的成功應(yīng)用，是CFRP在空間遙感器領(lǐng)域的又一個(gè)重要的里程碑。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)并研制了基于CFRP的月基極紫外相機(jī)照準(zhǔn)架，利用有限元分析的方法對(duì)不同材料的照準(zhǔn)架進(jìn)行分析對(duì)比。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，基于CFRP的照準(zhǔn)架的剛度、熱穩(wěn)定性能夠滿足極紫外相機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性要求，且質(zhì)量小于其它金屬材料。

2 設(shè) 計(jì)［5-6］

2.1 極紫外相機(jī)照準(zhǔn)架設(shè)計(jì)原則

照準(zhǔn)架是連接極紫外相機(jī)方位軸系、支撐俯仰軸系的結(jié)構(gòu)件，其剛度和熱尺寸穩(wěn)定性是影響相機(jī)跟蹤性能的關(guān)鍵。因此，為了確保極紫外相機(jī)在月表復(fù)雜的空間環(huán)境以及惡劣的溫度條件下能正常工作，要求照準(zhǔn)架具有足夠的剛度、強(qiáng)度以及良好的熱尺寸穩(wěn)定性;保證相機(jī)鏡頭繞俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)0～90°;同時(shí)要求結(jié)構(gòu)的質(zhì)量盡量輕(見圖1)。

圖1 極紫外相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Model of optical-mechanical structure for EUV camera

2.2 極紫外相機(jī)照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)照準(zhǔn)架設(shè)計(jì)原則，采用了金屬材料和碳纖維復(fù)合材料兩種結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)它們進(jìn)行了工程分析比較。

(1)采用金屬材料的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用金屬材料的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。為方便俯仰軸系的反復(fù)安裝拆卸，照準(zhǔn)架為分體式設(shè)計(jì)，由螺釘和銷釘聯(lián)接，俯仰軸系兩端有鈦合金(TC4)鑲嵌件用以安裝軸承。由于照準(zhǔn)架的主要受力區(qū)在左右兩側(cè)的根部位置，所以根部設(shè)計(jì)成斜面，采用米字筋的加強(qiáng)方式增加其根部強(qiáng)度?？紤]極紫外相機(jī)俯仰、方位軸系的工作溫度為－50～+70℃，照準(zhǔn)架的質(zhì)量盡可能小，采用了7A09和MB25兩種金屬材料。

圖2 金屬材料照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Collimation frame structure based on metal material

(2)基于CFRP的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 基于CFRP照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Collimation frame structure based on CFRP

圖4 鑲嵌件的連接方式Fig.4 Joint mode of inserts

基于CFRP的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，該CFRP照準(zhǔn)架也采用分體式設(shè)計(jì)?？紤]CFRP的工藝可實(shí)施性，照準(zhǔn)架兩側(cè)的減重方式采用方形孔的形式。俯仰軸系兩端、俯仰減速箱固定處、與方位軸系連接處均采用鈦合金(TC4)鑲嵌的方式，主要受力區(qū)域采用粘接和螺釘固定的方式(見圖4，序號(hào)7，12，14 為TC4 鑲嵌件，序號(hào)11，13為螺釘)，以保證其可靠性。照準(zhǔn)架底部的減重方式同圖2，這里只考慮CFRP的工藝可實(shí)施性，加大了減重孔的尺寸。另外，為了增加照準(zhǔn)架整體的剛度，照準(zhǔn)架的兩側(cè)設(shè)計(jì)有蒙皮。

3 工程分析

通過(guò)有限元分析方法對(duì)采用金屬材料和CFRP材料的照準(zhǔn)架進(jìn)行了分析比較，主要比較了模態(tài)、重量以及整機(jī)的模態(tài)，選取了一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

金屬材料照準(zhǔn)架的分析結(jié)果分別如圖5和表1所示。

圖5 金屬材料照準(zhǔn)架模態(tài)圖Fig.5 Modals of metal material collimation frame

表1 質(zhì)量及模態(tài)Tab.1 Weight and modal

CFRP照準(zhǔn)架的分析結(jié)果如圖6和表1所示。

圖6 CFRP照準(zhǔn)架模態(tài)圖Fig.6 Modals of CFRP collimation frame

表2 線膨脹系數(shù)Tab.2 Linear expansibility

從以上分析結(jié)果可以看出，CFRP照準(zhǔn)架相對(duì)于金屬材料照準(zhǔn)架無(wú)論是在自身的剛度還是對(duì)整機(jī)的剛度貢獻(xiàn)，都有很明顯的優(yōu)勢(shì)，且質(zhì)量與鎂合金(MB25)相當(dāng)，比鋁合金(7A09)輕了40%。在影響照準(zhǔn)架溫度適應(yīng)性的線膨脹系數(shù)方面，從表2可以看出CFRP有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。因此，極紫外相機(jī)采用基于CFRP的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證基于CFRP的照準(zhǔn)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析其是否合理，并考察CFRP照準(zhǔn)架的環(huán)境適應(yīng)性，主要是由溫度載荷試驗(yàn)和力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，在試驗(yàn)前、試驗(yàn)中和試驗(yàn)后，對(duì)極紫外相機(jī)上電，通過(guò)檢查俯仰、方位轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)判斷。

4.1 溫度載荷試驗(yàn)

溫度載荷試驗(yàn)主要是通過(guò)高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)來(lái)考察CFRP照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)溫度適應(yīng)性。按照試驗(yàn)條件要求，俯仰機(jī)構(gòu)的存儲(chǔ)溫度為 －110～+110℃，高、低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)各4個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)存儲(chǔ)12 h，如圖7所示。

圖7 高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)Fig.7 Storage test of high and low temperatures

在高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)過(guò)程中，在各測(cè)試溫度點(diǎn)給極紫外相機(jī)上電，俯仰、方位轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，無(wú)卡滯現(xiàn)象，驗(yàn)證了CFRP照準(zhǔn)架的溫度適應(yīng)性良好，滿足相機(jī)指標(biāo)要求。

4.2 力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)相機(jī)整機(jī)進(jìn)行正弦、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)考察CFRP照準(zhǔn)架力學(xué)適應(yīng)性。通過(guò)試驗(yàn)工裝將整機(jī)固定在振動(dòng)臺(tái)上，按照表3的試驗(yàn)條件進(jìn)行正弦、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。圖8為在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行極紫外相機(jī)力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)的照片。

表3 力學(xué)試驗(yàn)條件Tab.3 Mechanical test conditions

圖8 極紫外相機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 Mechanical test photo of EUV camera

在力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)前后，給極紫外相機(jī)上電，俯仰、方位轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，無(wú)卡滯現(xiàn)象，驗(yàn)證了CFRP照準(zhǔn)架的力學(xué)適應(yīng)性良好，滿足相機(jī)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

嫦娥三號(hào)著陸器的月表著陸對(duì)極紫外相機(jī)的環(huán)境(溫度、力學(xué))適應(yīng)性提出了苛刻的要求，極紫外相機(jī)中照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其環(huán)境適應(yīng)性是影響相機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵因素?？紤]相機(jī)質(zhì)量盡量輕的要求，設(shè)計(jì)了基于CFRP的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)，與金屬材料的照準(zhǔn)架進(jìn)行有限元分析對(duì)比表明，其無(wú)論從剛度、強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性以及重量方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。驗(yàn)證試驗(yàn)(溫度、力學(xué))前后，相機(jī)俯仰、方位轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)自如，無(wú)卡滯現(xiàn)象，滿足相機(jī)指標(biāo)要求，證明了基于CFRP的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足極紫外相機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性要求。

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